Что такое гармонические искажения переменного тока?
Гармоника – это форма сигнала переменного напряжения в виде синусоидальной волны, кратной основной частоте 50 Гц. При этом 1 Гц (Hz) – это единица колебательного процесса, который происходит за 1 секунду. Поэтому величина 50 Гц означает, что за 1 секунду направление и величина тока (от нуля до полного напряжения) поменяется 50 раз.
Гармоника с частотой 50 Гц – базовая составляющая сети переменного тока. Большинство электроприборов в России рассчитаны на работу от переменного тока частотой такой величины. Более того, для корректной работы большинства видов электротехники форма волны тока должна быть максимально приближена к идеальному синусу. Однако из-за различных условий наряду с основной гармоникой могут появляться другие её типы. Их количество и величина будет зависеть от качества электроэнергии и типа потребителей.
Иные гармоники могут быть четными и нечетными иметь более высокую частоту, кратную основной – первой. Если 1-я 50 Гц, то 2-я будет равна 100 Гц, третья – 150 Гц, четвертая – 200 Гц и др. Такие гармоники создают дополнительные возмущения в сети и при объединении вызывают искажения основного сигнала.
Гармонические искажения – это частотные сигналы переменного напряжения с искривлённой, несинусоидальной формой, только отдаленно напоминающей правильный (чистый) синус. Например, с модифицированной синусоидой, когда вместо плавной волны появляется ступенчатая конфигурация.
Искажения могут происходить у основной гармоники или возникать у гармоник более высокого порядка. Такие явления являются нежелательными побочными эффектами. Они могут быть постоянными или переходными (появляться только при включении в сеть некоторой бытовой или производственной техники) и приводить к некорректной работе потребителей. Например, от формы напряжения зависит частота вращения синхронных электродвигателей.
Причины появления
Основной источник гармонических искажений – это определенные виды электроприборов, которые, работая от электросети, потребляют ток несинусоидальной формы. Также искажения могут возникать из-за переходных процессов в электросети (например, при включении мощного оборудования с асинхронными электромоторами), несимметричности тока или неисправного оборудования.
Если в доме, квартире или офисе установлены следующие типы нелинейной нагрузки (называется нелинейной, так как потребляет ток несинусоидальной формы), то с большей вероятностью в сети происходят гармонические искажения:
- техника с электромоторами;
- сварочные аппараты;
- микроволновые печи;
- компьютерная техника;
- энергосберегающие осветительные приборы (в том числе ДРЛ- и люминесцентные лампы);
- источники бесперебойного питания (резервного и линейно-интерактивного типа);
- зарядные устройства;
- индукционные плиты;
- трансформаторы и генераторы.
Чем больше в электросети присутствует таких потребителей, тем больше будет искажен сигнал. При этом вклад различных типов гармоник суммируется.
Гармонические искажения на выходе ИБП резервного типа при работе от встроенных аккумуляторов
Воздействия на электроприборы
Гармонические искажения переменного тока ничего хорошего для электросистемы не несут. Они могут вызывать такие негативные воздействия, как:
- чрезмерный нагрев, повреждение или выход из строя чувствительных к форме питающего напряжения потребителей (трансформаторов, электродвигателей, люминесцентных ламп и др.);
- повышение шума при работе трансформаторов;
- ложные срабатывания автоматических выключателей и предохранителей;
- ускорение износа изоляции проводников;
- некорректная работа контрольно-измерительной аппаратуры.
Гармонические искажения разной степени присутствуют в каждой электросети, так как электроприборы с нелинейными характеристиками весьма распространены. Однако в основном их негативное влияние незначительно и не требует мер по снижению их воздействия.
Считается, что, если в сумме процент нелинейных нагрузок превышает более 40 от всей мощности потребителей, то потребуется установка специальных средств защиты.
Средства защиты
Гармонические искажения никак не связаны со скачками и просадками напряжения. Понять о том, что они возникают в электросети без специальных технических средств сложно. В отличие от перепадов вольтажа, визуально их можно определить лишь по чрезмерному нагреву оборудования, в составе которого присутствуют электродвигатели. И то причина этого может быть совершенно иной, например, из-за неправильной эксплуатации. Для точного выявления возможной проблемы потребуется осциллограф, который выполняет исследование амплитудных параметров сетевого электросигнала.
Все же, если на объекте присутствует электрочувствительная техника, лучше заранее установить защиту от таких проблем. Для этого некоторые пользователи размещают подавляющие или разделяющие устройства. К ним относятся гальванические (развязывающие) трансформаторы, частотные преобразователи, специальные фильтры, стабилизаторы напряжения и ИБП.
Среди них самыми эффективными являются некоторые модели стабилизаторов напряжения и ИБП, которые не только снижают или полностью устраняют проблему, но и обеспечивают подключенные приборы качественным сигналом.
Например, российский производитель систем электропитания «Штиль» выпускает инверторные стабилизаторы напряжения и источники бесперебойного питания топологии онлайн, которые всегда обеспечивают подключенные приборы высококачественным сигналом с чистым синусом, независимо от гармонических искажений на входе.